Модели для описания оптических свойств биоткани

Биоткани оптически неоднородны, поэтому при распространении излучения в них существенную роль играют процессы светорассеяния. Рассеянное излучение несет информацию о формирующих биоткань факторах, таких как размеры и форма структурных элементов, их ориентация, оптические постоянные и другие параметры. Для того чтобы иметь возможность извлечь эту информацию и интерпретировать результаты экспериментов по светорассеиванию, необходимо построить адекватную оптическую модель соответствующей биоткани и на ее основе решить задачу распространения излучения в данной среде. Точная теория о поглощении и рассеянии света биологическими тканями и частицами произвольных размеров и структур отсутствует, однако важную информацию об их оптических свойствах можно получить на основе исследования взаимодействия излучения с соответствующими модельными объектами. Сложность строения биотканей, высокая концентрация рассеивающих частиц, неоднородность их размеров, формы и оптических постоянных делает задачу построения адекватной оптической модели довольно сложной. Можно предположить, что модели, на которых базируются уравнения распространения света, должны выглядеть как можно ближе к реальным объектам. Однако практически этот критерий «похожести» часто может чрезмерно увеличить важность детализации. Основные особенности эффектов светорассеивания контролируются, главным образом, простыми факторами. Можно считать, что такими факторами для отдельной частицы, в порядке важности, являются размер и форма частицы, главное радиальное распределение массы, т. е. крупная структура, детали внутри этого распределения. Отсюда для многих целей влияние деталей строения на рассеяние будет пренебрежимо мало.

В общем случае, коэффициент рассеяния ткани зависит от соотношения коэффициентов преломления межклеточной жидкости, цитоплазмы, ядра клетки и других органелл; для фиброзных тканей, таких склера, дерма и мышечная ткань, — от соотношения показателей преломления базового вещества, коллагеновых и эластиновых волокон. Для кровенаполненных тканей, таких как печень, их пропитывание растворами с различной осмотической активностью также может приводить к выравниванию коэффициентов преломления и уменьшению коэффициента рассеяния, но при этом эффект не столь выражен, как для кожи и склеры, поскольку сопровождается заметными изменениями размера клеток вследствие осмотического стресса.

Мягкие ткани образованы плотноупакованными группами клеток, заключёнными в волокнистую матрицу, сквозь которую может фильтроваться тканевая жидкость. В микроскопических масштабах компоненты ткани не имеют чётко выраженных границ. Их можно представить в виде непрерывной структуры с пространственными вариациями коэффициента преломления.

Можно выделить два основных подхода к моделированию биоткани: представление биоткани средой с непрерывным случайным пространственным распределением оптических параметров и представление в виде дискретных рассеивателей. Выбор того или иного подхода диктуется как особенностями исследуемой биоткани, так типом характеристик светорассеяния, которые необходимо получить в результате моделирования. Микроструктура биологических клеток и тканей достаточно сложна и ее трудно описать количественно. Микроструктуру клетки или ткани можно увидеть с помощью световой или электронной микроскопии как пространственные флуктуации плотности, обусловленные вариациями интенсивности окраски различных структурных компонентов. Многие биологические ткани образованы структурами, размеры которых меняются в широких пределах. Если отсутствует один преобладающий размер структурных элементов, то представление ткани как ансамбля независимых изолированных рассеивателей нецелесообразно. Рассеяние в таких системах можно описать на основе представления о непрерывных случайных флуктуациях коэффициента преломления неоднородностей с различным пространственным масштабом.

Второй подход к моделированию биотканей состоит в представлении их как системы дискретных рассеивающих частиц. Эту модель целесообразно использовать для описания угловой зависимости поляризационных характеристик рассеянного излучения. Примером важнейшей биологической дисперсной системы, полностью отвечающей модели дискретных рассеивателей, является кровь.

Для правильного выбора теоретического метода и приближений для расчета характеристик рассеяния системы частиц необходимо учитывать основные особенности строения биотканей, а именно форму и диапазон размеров отдельных частиц, их показатель преломления и концентрацию.